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最新光触媒技術と実用化戦略
可視光利用と環境浄化をめざして

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最新光触媒技術と実用化戦略

著者: 橋本 和仁 編著
定価: 本体64,000円+税
発行: 2002年5月
B5判上製・312頁 在庫なし

日本発の発明”光触媒技術”の第一人者が、可視光応答型光触媒技術や環境対策を中心に、光触媒材料の新しい応用、商品化戦略、評価・特許動向までを多面的に編集。第一線研究者による光触媒の最先端技術の技術・研究書。

著者紹介

執筆者一覧(掲載順)
橋本和仁 東京大学先端科学技術研究センター
宮内雅浩 東陶機器(株) 基礎研究所・東京大学先端科学技術研究センター 橋本研究室
渡部俊也 東京大学先端科学技術研究センター
井原辰彦 近畿大学 工学部化学環境工学科
酒谷能彰 住友化学工業(株) 基礎化学品研究所
奥迫顕仙 住友化学工業(株) 基礎化学品研究所
小池宏信 住友化学工業(株) 基礎化学品研究所
安東博幸 住友化学工業(株) 基礎化学品研究所
森川健志 (株)豊田中央研究所 第一特別研究室
旭良司 (株)豊田中央研究所 第一特別研究室
多賀康訓 (株)豊田中央研究所 第一特別研究室
大崎寿 (財)神奈川科学技術アカデミー 光科学重点研究室
斎木千恵子 (財)神奈川科学技術アカデミー 光科学重点研究室
草野一敬 神奈川県農業総合研究所 農業環境部
野口寛 (株)明電舎 総合研究所 環境研究部・東京大学先端科学技術研究センター橋本研究室
深山陽子 神奈川県農業総合研究所 生産技術部
砂田香矢乃 東京大学先端科学技術研究センター 橋本研究室
大西伸夫 東京大学先端科学技術研究センター 橋本研究室
藤嶋昭 東京大学 大学院工学系研究科
齋藤修一 光陽電気工事(株) 光触媒事業部
窪田吉信 横浜市立大学 医学部泌尿器科
丹羽智佐 (財)神奈川科学技術アカデミー
坂井伸行 東京大学先端科学技術研究センター 橋本研究室
柴田竜雄 東京大学先端科学技術研究センター 橋本研究室
中島章 (株)先端技術インキュベーションシステムズ 研究所
下吹越光秀 東陶機器(株) 光フロンティア事業部
豊田宏 太陽工業(株) 空間技術研究所
栗屋野香 盛和工業株式会社
中山千秋 東陶機器(株) 基礎研究所
勝川由美子 東陶機器(株) 基礎研究所

主な内容

第1章 可視光光触媒技術の最新動向
序論 ブレークスルーを予感させる最近の動向  橋本 和仁
序  論…3
1 TiO2/WO3高感度化親水性材料  宮内雅浩・渡部俊也・橋本和仁
1.緒  言
2.TiO2/WO3による親水化反応の高感度化
3.積層型TiO2/WO3薄膜
4.おわりに
2 湿式法による可視光応答型酸化チタン光触媒の調製  井原 辰彦
1.はじめに
2.調整方法
(1)プラズマ法/(2)湿式法/(3)加熱法
3.可視活性評価
4.耐久性
5.まとめ
3 可視光線応答型酸化チタン光触媒の開発  酒谷能彰・奥迫顕仙・小池宏信・安東博幸
1.はじめに
2.粉末状可視光線応答型酸化チタン光触媒の開発
(1)調製及び評価方法/(2)実用光源での評価結果/(3)反応の波長依存性/(4)紫外光照射での評価結果/(5)触媒活性の寿命評価/(6)分解対象物質/(7)XPS測定結果
3.可視光線応答型酸化チタン光触媒水系コーティング剤の開発
4.繊維状可視光線応答型酸化チタン光触媒の開発
5.まとめ
4 窒素ドープによる酸化チタン光触媒の可視光応答化  森川健志・旭 良司・多賀康訓
1.はじめに
(1)酸化チタン光触媒研究の背景/(2)従来の可視光応答型酸化チタン光触媒
2.豊田中央研究所における可視光応答化のコンセプト
(1)第一原理計算による検討
3.Ti-O-N光触媒薄膜
(1)スパッタTi-O-N膜の作製法/(2)スパッタTi-O-N膜の光学特性/(3)スパッタTi-O-N膜の光触媒特性
4.Ti-O-N光触媒粉末
(1)作製法/(2)Ti-O-N粉末の光触媒性能/(3)Ti-O-N粉末の耐久性
5.Ti-O-N光触媒中のN原子の状態
(1)XPSのN1s殻スペクトル/(2)NのOサイト置換ドーピング
6.まとめ

第2章 光触媒を利用した環境対策
序論 環境と光触媒  橋本 和仁
1.はじめに
2.自然循環と環境改善
3.環境浄化光触媒の問題点
4.太陽エネルギーと環境浄化
5.真の環境浄化を目指して
1 ダイオキシン対策のための自動無毒化材料の研究  大崎 寿・斎木千恵子・渡部俊也・橋本和仁
1.はじめに
2.プラスティックへの光触媒活性物質の付与
3.プラスティックのチタニアによる助燃効果
4.プラスティックへのチタニアの添��
5.光触媒活性効果
6.まとめ
2 光触媒を利用した残留農薬軽減の可能性の検討  草野一敬・橋本和仁
1.はじめに
2.本研究の目標
3.供試材料
4.有効成分の分解実験と結果
5.市販製剤の分解実験と結果
6.栽培作物を用いての農薬市販製剤の分解実験と結果
7.価 格
8.考察及び今後の展望
3 光触媒を利用した水処理技術①海水殺菌システム  野口 寛・橋本和仁
1.はじめに
2.海水殺菌法
3.光触媒フィルタと光触媒処理装置
4.処理条件の最適化
5.連続運転試験
6.システム提案
7.おわりに
4 光触媒を利用した水処理技術②養液栽培における浄化・殺菌技術  深山陽子・橋本和仁
1.はじめに…99
2.有機質培地から溶出される有機物量
3.光触媒処理の有機物分解・殺菌効果
4.処理装置作成に向けて
5.太陽光を利用した処理
(1)野外水槽状装置を想定した実験/(2)野外水槽状装置を想定した実験/(3)野外水槽状装置を用いたトマト/栽培実験
6.おわりに…111
5 光触媒を利用した都市温暖化緩和法  砂田香矢乃・大西伸夫・橋本和仁
1.はじめに
2.アーバンリバーシステ��
3.垂直面での濡れ広がり
(1)接触角と垂直面での濡れ広がり/(2)表面構造と濡れ広がり/(3)散水装置/(4)散水量
4.システムの実証実験
(1)実験方法/(2)散水時の温度変化/(3)壁面まわりの熱収支と蒸発量
5.おわりに…

第3章 光触媒材料の新しい応用
序論 光触媒が注目されている  藤嶋 昭
1.最近の新聞記事から
2.現在の流れ
3.光触媒の難しい点
4.可視光応答光触媒
5.防汚コーティング系
6.防汚から防錆へ発展できるか
7.水処理に適用できるか――特に環境ホルモンなどの処理
8.土壌汚染への応用
9.医用材料などへの発展
1 光触媒による防錆系への応用  齋藤 修一
1.はじめに
2.光カソード防食とは?
3.金属上への酸化チタンコーティング
4.光カソード防食の特徴
5.汚れにくいから錆びにくい
6.光カソード防食へのエネルギー貯蔵能の付与
7.光カソード防食の実用化に向け
2 光触媒の医療用カテーテルへの応用  窪田吉信・丹羽智佐
1.光触媒の医学・医療への応用
2.光触媒カテーテルの実用化に向けて
(1)エラストマー材料へのTiO2コーティング法開発/(2)医療用TiO2コートカテーテルの実用化検討/(3)エラストマー材料に付加した光触媒機能のさらなる応用検討
3.今後の課題
3 分解・抗菌性光触媒技術の最新動向  砂田香矢乃・橋本和仁
1.光触媒反応によって生成する活性種
(1)酸化チタン表面に生成する活性種/(2)活性種の検出と定量
2.微弱光下における抗菌効果
(1)抗菌性金属とのハイブリッド/(2)暗所下での抗菌効果/(3)微弱光下での抗菌効果/(4)銅担持酸化チタン薄膜の抗菌効果のメカニズム/(5) 光触媒による抗菌効果のメカニズ��
3.光触媒による三次元空間での水処理
(1)臭素酸イオンと光触媒還元作用/(2)有害物質の吸着/(3)反応装置側での工夫
4 超親水性光触媒技術の最新動向
①超親水性光触媒の反応機構  坂井伸行・橋本和仁
1.光触媒表面上で起こるもう一つの反応
(1)光誘起親水化反応/(2)超親水性光触媒の発見/(3)超親水性光触媒の機能
2.超親水性光触媒の反応機構
(1)超親水性光触媒の評価方法/(2)吸着有機物の酸化分解による親水化モデル/(3)吸着有機物量と接触角との相関関係/(4)表面構造変化を示す実験結果/(5)表面水酸基の形成プロセス/(6)光誘起親水化を引き起こす表面構造変化モデル
3.これからの展望
(1)現状と今後の課題/(2)環境調和型の機能材料
5 超親水性光触媒技術の最新動向
②超親水性光触媒の高感度化  柴田竜雄・橋本和仁
1.はじめに
(1)超親水性の利用/(2)高感度化の要求/(3)高感度化へのアプローチ/(4)親水化機構からの検討
2.親水化に有利な表面の探索��
(1)ブルッカイト型酸化チタン/(2)光触媒活性(酸化分解)/(3)光誘起親水化活性
3.親水化に有利な表面の探索②
(1)高感度モデル表面/(2)光電気化学エッチング/(3)微弱光照射下親水化特性
4.まとめ
6 超撥水コーティング技術の最新動向
①超撥水コーティングと光触媒  中島 章・橋本和仁・渡部俊也
1.超撥水とは
2.超撥水表面を得るための条件
3.超撥水膜の作製方法
4.超撥水膜実用化の課題
5.超撥水膜への酸化チタン光触媒の適用
6.水滴の転落
7.超撥水膜の新しい展開
8.おわりに
7 超撥水コーティング技術の最新動向
②高硬度超撥水コーティング膜の設計と作製  中島 章・橋本和仁・渡部俊也
1.はじめに
2.ラフネスミックスによる超撥水膜の作製と評価
3.超撥水膜の今後の展開

第4章 光触媒商品化戦略と評価・特許動向
1 TOTOにおける光触媒商品化戦略  下吹越光秀
1.はじめに
2.光触媒製品の実用化例
(1)ハイドロテクトタイル/(2)ハイドロテクトミラーフィル��
3.今後の商品化戦略
(1)ハイドロテクト防藻タイル/(2)防曇鏡
4.まとめ
2 光触媒による新機能性テントの展開  豊田 宏
1.はじめに
2.酸化チタン膜の構��
3.酸化チタン膜の物性・機能
(1)防汚性/(2)光触媒機能の耐久性/(3)光学特性
4.販売実績
5.おわりに
3 空気清浄機用光触媒セラミックフィルターの開発と商品展開  栗屋野 香
1.はじめに…257
2.光触媒フィルターの開発の歩み
(1)脱臭フィルターの現状/(2)フィルター性能の再生/(3)種々のフィルター基材の検討/(4)酸化チタン担持セラミックフィルターの開発
3.業務用光触媒空気清浄機の設計
(1)業務用空気清浄機の設計/(2)紫外線ランプの特性による装置設計
4.試験例および実施例
(1)A医薬製品検査包装室(容積…80m3 使用機種…SSC-50)/(2)生ゴミ処理機排出ガスの脱臭/(3)K国立大学医学部解剖学教室/(4)Y食品加工場/(5)接着剤プライマー製造工場
5.今後の展望
6.おわりに
4 光触媒の評価方法と規格化  中山千秋・勝川由美子
1.はじめに
2.光触媒の機能・性能と標準化・規格化の進め方
(1)光触媒の機能・性能の分類と試験方法の標準化/(2)標準化・規格化の体系/(3)光触媒規格化委員会の構成
3.有機物分解性試験方法の標準化
(1)試験方法検討の経緯/(2)メチレンブルー分解試験方法について/(3)湿式メチレンブルー分解試験方法
4.親水性試験方法の標準化
(1)試験方法検討の経緯/(2)親水性試験方法について
5.おわりに
5 光触媒特許の出願内容と動向  渡部 俊也
1.光触媒に関する特許出願数
2.特許マップの作成
3.光触媒に関する技術の分類
(1)酸化分解の利用技術/(2)水処理/(3)太陽光を使う/(4)コーティング/(5)表面濡れ性の制御

まえがき

酸化チタン光触媒が市民権を得てきた。新聞,雑誌,テレビなどで光触媒の紹介がなされない日はないと言っても過言ではなかろう。このように酸化チタン光触媒が様々な分野で実用化されるまでには,多くの研究者による多岐にわたる研究成果が基になっている。そのなかでも特に以下の4つの研究が大きなブレークスルーであったと筆者は考えている。

一つ目は1970年前後のいわゆる本多・藤嶋効果の発見である。酸化チタン電極に光を照射すると酸素が発生し,対極からは水素が発生する。すなわち,水の光分解が達成されることを見出した報告であった。時はちょうど第一次エネルギーショックであり,また,シリコン系の太陽電池の研究が盛んになりつつある時代でもあった。新しい太陽エネルギー電池としての可能性から,世界中の研究者が酸化チタンの光効果の研究に走った。

二つ目は1980年ごろ,当時分子科学研究所にいた坂田助教授(現東京工業大学名誉教授)と川合博士(現大阪大学産業科学研究所教授)による酸化チタン粉末と有機物の反応による水からの高効率水素発生反応の発見である。筆者もちょうど研究室の技官としてその研究に加わっていた。それまでも酸化チタン粉末による水の完全分解反応(水素と酸素の同時発生)は世界中の研究者たちにより行われてきたが,その効率は著しく低かった。しかし,そこに有機物を入れると,有機物が酸化され水が還元されることにより,大変高い効率で勢いよく水素が発生することが発見された。しかもほとんどすべての有機物が(ゴキブリさえも)この水素発生反応を推進することは多くの研究者たちに驚きをもって受け止められた。この時は第二次エネルギーショックの真っ最中であった。太陽エネルギーによる水素製造法として,学会のみならず産業界の注目を集め,世界中で光触媒研究が加速された。

三つ目は1990年ごろ,藤嶋教授と筆者,および当時東陶機器(株)に所属していた渡部氏(現東京大学先端科学技術研究センター教授)が始めた,酸化チタンを種々の建材表面にコーティングし,抗菌・セルフクリーニング機能を持たせようという研究ではなかろうか。1980年代中ごろから,酸化チタン光触媒の強い酸化力を利用して,水中や空気中の汚染物質を分解しようという研究が行われるようになっていた。しかし,光エネルギーは密度が低く,十分な量の水や空気を処理するということが困難で,実用化には程遠い状態であった。一方,それらの研究に対し,筆者らの研究は,材料表面という二次元表面に存在する有機物質を対象とする。そのため室内や屋外に存在する微弱な紫外線を利用するのみで大変効果的に機能することが確認された。この研究は光触媒の実用化に向けて大変大きな前進であった。実際1995年ごろになり,抗菌タイルやセルフクリーニング照明カバーなどの形で,光触媒の実用化が始まった。

四つ目は同じく東陶機器と我々のグループが1997年に報告した酸化チタンの光誘起親水化反応の発見である。これは酸化チタンの表面構造がナノメートルスケールで変化するという,基礎科学の観点から大変新しい発見であった。さらに実用的にも雨水によるセルフクリーニング,坊曇効果など,酸化チタンコート材料に新たな機能を与えるという意義深いものであった。また,それまでの光触媒反応はすべて光が照射されているときのみ機能が発現するものであったが,光親水化反応では一旦光照射により表面が親水化すると,光照射をやめてもその機能は数日から数週間持続する。このことは酸化チタン光触媒の適用範囲をより大きく広げ,実用化に拍車をかけることとなった。

これらの研究の結果,光触媒は多方面で実用化されることとなった。2001年の光触媒関連市場は日本国内で400から500億円程度,ヨーロッパでも30億円程度にまで成長したと推定している。この流れはまだまだ加速し,数年のうちには全体で1,000億円市場に成長することはほぼ間違いないと予想している。
わずか10年足らずのうちに1,000億円市場が形成されるのだから大変なことだと見ることもできる。しかし筆者は現在の技術の延長のみでは1,000億程度で市場成長は止まると見ている。一方,1999年11月24日に出された三菱総研のレポートによれば,「2005年に光触媒関連市場が1兆円以上に」とされている。この一桁の違いは何に起因するのであろうか? それは三菱総研のレポートでは,水浄化や室内空気浄化など現在実用化されていない分野の市場も組み込まれているからである。実際,この市場調査を取りまとめた人によれば「この数字には予測だけでなく,希望も含まれています」(『Trigger』,2000年3月号)とのことである。

筆者は2000年ごろまでは,光触媒による室内空気浄化や水浄化といった直接的な環境保全・浄化技術はまだまだ先の課題であると思っていた。しかし,2001年になり可視光応答をする窒素ドープ酸化チタンの発見,また,2002年になり大面積光触媒による太陽光利用の有効性といった発見が相次いだ。前者により室内空気の浄化が,後者により様々な環境汚染物質の光触媒浄化ができる可能性が出てきた。これらはまさに第5,第6のブレークスルーとなるのではないかと思っている。

以上のような観点から,本書では第1章で最近の可視光応答型光触媒技術の発展を,第2章で光触媒を利用した環境対策の最近の取り組みを紹介している。また第3章では光触媒材料の新しい応用を解説している。さらに第4章ではすでに商品化された光触媒関連製品のなかでの成功事例を取り上げ,商品化戦略の解説および光触媒の特許動向にも言及している。

本書で取り上げた最新の技術が引き金になって,光触媒が真に1兆円産業と発展することを期待している。

2002年3月 橋本 和仁

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